鄢 艷，丁志英

（1.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110013;2.西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司，陜西 西安 71054）

目前國內(nèi)各大氧化鋁廠的分解工序采用平底機(jī)械攪拌槽，其單位體積料漿所占的散熱面積小，自然降溫困難，尤其我國某些氧化鋁廠處于氣候炎熱，空氣濕度大的南方地區(qū)，夏季分解槽的首末溫差靠自然降溫僅有1～2℃，有時(shí)甚至出現(xiàn)“恒溫”，嚴(yán)重影響分解率和產(chǎn)品質(zhì)量。但是要得到符合產(chǎn)品級(jí)要求的氫氧化鋁，分解過程的降溫至少滿足6℃～10℃的溫差，因此設(shè)計(jì)中引入寬流道板式換熱器、套管換熱器或者槽內(nèi)列管換熱器等設(shè)備將分解料漿與循環(huán)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制換熱，稱為中間降溫過程。設(shè)計(jì)院和設(shè)備廠家在進(jìn)行分解中間降溫的設(shè)計(jì)以及換熱器的選型時(shí)，往往只考慮分解槽的首末槽溫度，而忽略掉生成Al（OH）3所帶來的結(jié)晶熱，故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的循環(huán)水使用量通常比設(shè)計(jì)或者設(shè)備廠家提供的量少。

1 原理介紹

1.1 結(jié)晶原理

結(jié)晶是形成晶格的過程。晶體變成液體的時(shí)候是需要破壞晶格的，這個(gè)過程需要能量，大小即晶格能，所以結(jié)晶過程是要放熱的。結(jié)晶熱是指溶液結(jié)晶過程中，單位溶質(zhì)晶體所放出的熱量。

1.2 分解工作原理

分解是拜耳氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)的重要組成部分，在晶種分解過程中，精液經(jīng)降溫后與晶種混合并進(jìn)行攪拌，過飽和的鋁酸鈉溶液析出Al(OH)3晶體，同時(shí)獲得苛性比值（Rp）較低的種分母液作為溶出下一批鋁土礦的循環(huán)堿液。分解過程的化學(xué)反應(yīng)如下：

NaAl(OH)4+aq＝Al(OH)3+NaOH+aq

上式是相互轉(zhuǎn)化的，盡量創(chuàng)造低溫、高苛性比值（Rp）和低堿濃度的條件時(shí)，反應(yīng)向右進(jìn)行，即過飽和的鋁酸鈉溶液分解析出氫氧化鋁結(jié)晶體，這是鋁酸鈉溶液分解過程的實(shí)質(zhì)。

2 工廠實(shí)例

以某年產(chǎn)100萬噸氧化鋁的工廠為例，單位時(shí)間分解進(jìn)料的質(zhì)量流量m1=4500t/h,分解首槽溫度t1=60℃，末槽溫度t2=50℃，單位時(shí)間析出的產(chǎn)品Al（OH）3（干）m2=188t/h,Al203的結(jié)晶熱q結(jié)=143.9kcal/kgAl2O3，分解料漿的比熱C=0.6kcal/kg.℃，氧化鋁的分子量M1=102，氫氧化鋁的分子量為M2=78。

Al（OH）3（干）m2=188t/h折合成等量的Al2O3質(zhì)量m3=m2×M1/(M1×2)=122.96t/h,結(jié)晶熱Q結(jié)晶=m3×1000×q結(jié)=122.96×1000×143.9=17693394kcal,對(duì)分解物料的整體溫升Δt1=Q結(jié)晶/m1/c/1000=17693394/4500/0.6/1000=6.55℃。

下面分別對(duì)考慮結(jié)晶熱與否的兩種工況進(jìn)行中間降溫計(jì)算，設(shè)有6級(jí)降溫。

單位時(shí)間換熱器的進(jìn)料量是分解進(jìn)料量的30%，則進(jìn)入換熱器的料漿質(zhì)量流量m4=0.3m1=0.3×4500=1350t/h,通過換熱器降溫后的料漿回到該分解槽，冷卻水上水總管溫度為35℃，冷卻水回水總管溫度要求48℃。

假設(shè)采用寬流道板式換熱器作為傳熱設(shè)備，其傳熱系數(shù)為1000kcal/m2.h.℃。

計(jì)算結(jié)果如下，兩種情況均未考慮自然降溫。

2.1 未考慮結(jié)晶熱

中間降溫共需降Δt=t1-t1=60-50=10℃

每級(jí)分解槽需降溫Δt2=Δt/6=(60-50)/6=1.67℃，換算到每級(jí)寬流道板式換熱器則需要降溫Δt3=Δt2/0.3=5.56℃

換熱后分解槽內(nèi)料漿溫度單位 ℃ t/h ℃ ℃ ℃ m2第一級(jí) 54 237 60 54.4 58.3 354第二級(jí) 52 265 58.3 52.8 56.7 374第三級(jí) 50 300 56.7 51.1 55 396第四級(jí) 48 346 55 49.4 53.3 421第五級(jí) 46 409 53.3 47.8 51.7 449第六級(jí) 43.5 530 51.7 46.1 50 468合計(jì) 48 2087 2462回水溫度冷卻水 料漿 傳 熱面積冷卻水量進(jìn)換熱器料漿溫度出換熱器料漿溫度

2.2 考慮結(jié)晶熱

加上結(jié)晶熱后中間降溫共需降Δt’=t1-t2+Δt1=60-50+6.55=16.55℃

每級(jí)分解槽需降溫Δt2’=Δt’/6=16.55/6=2.76℃，換算到每級(jí)寬流道板式換熱器則需要降溫Δt3’=Δt2/0.3=9.2℃,因結(jié)晶析出多發(fā)生在分解初期，為簡化計(jì)算，將結(jié)晶熱溫升計(jì)入開始降溫的分解槽。

換熱后分解槽內(nèi)料漿溫度單位 ℃ t/h ℃ ℃ ℃ m2第一級(jí) 54 392 66.6 57.4 63.8 427第二級(jí) 52 438 63.8 54.6 61 475第三級(jí) 50 497 61 51.8 58.3 535第四級(jí) 48 573 58.3 49.0 55.5 612第五級(jí) 46 677 55.5 46.3 52.8 716第六級(jí) 43.5 877 52.8 43.6 50 837合計(jì) 48 3454 3602回水溫度冷卻水 料漿 傳 熱面積冷卻水量進(jìn)換熱器料漿溫度出換熱器料漿溫度

3 結(jié)語

由上述計(jì)算可以看出，在自然降溫效果不明顯的情況下，結(jié)晶熱溫升使冷卻水量增加了近40%，換熱器的傳熱面積增大了約32%，占相當(dāng)大比重。所以計(jì)算尤其是氣候炎熱，濕度大地區(qū)的分解中間降溫，必須考慮結(jié)晶熱的因素。

[1]畢詩文,于海燕.氧化鋁生產(chǎn)工藝[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2006.(2)：182-186.

[2]楊重禹.氧化鋁生產(chǎn)工藝學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社.1993：134-140.

[3]王熙慧，于海燕，程濤等.高濃度鋁酸鈉溶液生產(chǎn)砂狀氧化鋁的新工藝[J].輕金屬.2007.(8)：5-12.